JP4947115B2 - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Description

この発明は、圧電体を駆動することで超音波の送信または受信を行う超音波トランスデューサに関する。

従来の超音波トランスデューサとして、ケースに圧電体を収容する構成のものがある。

図１（Ａ）は、従来の超音波トランスデューサの第１の構成例を説明する断面図である。
超音波トランスデューサ１００はケース１０１、圧電体１０２、吸音部材１０３、充填剤１０４、およびリード線１０５を備える。圧電体１０２はケース１０１の内底面に接着剤（不図示）で接着される。ケース１０１は有底筒状である。充填剤１０４はケース１０１の筒内部に注入固化されてケース１０１を閉塞する。吸音部材１０３は、ケース１０１の内側空間に配置される。圧電体１０２にはリード線１０５が接続され、リード線１０５は充填剤１０４を通過してケース外部に引き出される。

このような構成では、ケース１０１の内側空間で音波の多重反射が生じる。多重反射に伴い音波は減衰していくが、音波の残響時間が長ければ、超音波トランスデューサの送信波の波形が残響により鈍ったり、受信波が残響に隠れたりして問題となる。そこで、超音波トランスデューサ１００ではケース内部に吸音部材１０３を設けることで、圧電体１０２からケース１０１の開口方向へ発振される音波を吸収して残響特性を改善している。

また、従来の超音波トランスデューサとして、リード線に替えて金属ピンを用いる構成のものが利用されることもある（例えば、特許文献１参照。）。

図１（Ｂ）は、従来の超音波トランスデューサの第２の構成例を説明する断面図である。
超音波トランスデューサ２００はケース２０１、圧電体２０２、固定板２０３、充填剤２０４、および外部へ電気信号を伝達する金属ピン２０５を備える。この超音波トランスデューサ２００はリード線を用いずに金属ピン２０５を用いるとともに、金属ピン２０５の固定のために樹脂製の固定板２０３を有する。

この構成では、有底筒状のケース２０１の内底面部に所定の距離を隔てて固定板２０３を配置し、固定板２０３に圧電体２０２との電気的接続のためのバネ状金属端子２０６を保持させる。バネ状金属端子２０６が圧電体２０２と共振してしまうと超音波トランスデューサ２００の残響特性が低下するので、バネ状金属端子２０６の共振周波数は圧電体２０２と共振しないような条件に設定され、これにより超音波トランスデューサ２００の残響特性を改善している。

特開２００７−３１８７４２号公報

上述のようにケース内部に吸音部材を配置することや、バネ状金属端子の共振周波数を適切に設定することにより、超音波トランスデューサの残響特性は改善することができる。しかしながら、これらの対策を施しても超音波の残響を完全に無くすことはできず、残響特性のさらなる改善が望まれることがある。

そこで本願発明の目的は、従来よりもさらに残響特性を改善することが可能な超音波トランスデューサを提供することにある。

この発明の超音波トランスデューサはケースと反射部と圧電体とを備える。ケースは一端が閉塞した有底筒状である。圧電体はケースの内底面部に形成される。反射部はケースの内底面部から離間して配置され、圧電体に対向する。ここで、圧電体と反射部との間隔は、圧電体の最大変位距離よりも大きく、且つ、音波の１／４波長の略奇数倍または１／４波長以下とする。
この構成では、ケースの内側空間で生じる音波の多重反射の減衰を早めるために、反射部と圧電体との間隔を設定する。なお、本発明で反射部の定義は、音波の吸収率と反射率とを比較して、音波の吸収率＜音波の反射率の関係を満たす構成である。反射部と圧電体との間隔を音波の１／４波長の略奇数倍とする場合、反射部や圧電体での壁面入射波と壁面反射波とが相互に打ち消し合い、超音波の減衰が早まる。また、反射部と圧電体との間隔を音波の１／４波長以下とする場合、単位時間辺りの音波の反射回数が極めて多くなって超音波の減衰が早まる。

この発明の超音波トランスデューサは吸音部材をさらに備えると好適である。吸音部材は、圧電体と反射部との間に少なくとも一方から離間して配置されると好適である。この構成では、吸音部材により多重反射する超音波の減衰を速められる。なお、この発明で吸音部材の定義は、音波の吸収率と反射率とを比較して、音波の吸収率＞音波の反射率の関係を満たす構成である。

この発明の反射部は、ケース内部とケース外部とに連通し、吸音部材で閉塞される開口部を備えると好適である。この構成では、吸音部材を圧電体などの部材に直接触れさせずに設けることができる。これにより、この吸音部材を伝搬して圧電体から反射部に振動が伝わることが無くなり、残響特性をより改善できる。

この発明によれば、反射部とケースの内底面部との間の距離を音波の１／４波長の略奇数倍とすることで、壁面への入射波と壁面での反射波とが相互に打ち消し合い、超音波の減衰が早まる。また、反射部とケースの内底面部との間の距離を音波の１／４波長以下とすることにより、単位時間辺りの音波の反射回数が極めて多くなって超音波の減衰が早まる。その結果、超音波トランスデューサの残響特性をより改善することができる。

従来構成の超音波トランスデューサの構成例を示す概略の図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサの構成例を示す概略の図である。 図２の超音波トランスデューサの残響レベルを説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスデューサの構成例を示す概略の図である。 本発明の第３の実施形態に係る超音波トランスデューサの構成例を示す概略の図である。

以下、本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサ３０を説明する。

図２（Ａ）は、超音波トランスデューサ３０における直交座標系Ｙ−Ｚ面の断面図である。図２（Ｂ）は、超音波トランスデューサ３０の備える固定部材２３の斜視図である。

超音波トランスデューサ３０は、上部カバー２１、圧電体２２、固定部材２３、ウェイト２４、外部接続端子２５、ワッシャ２６、バネ状金属端子２７Ａ，２７Ｂ、吸音部材２８Ａ，２８Ｂ、および充填剤２９を備える。

この超音波トランスデューサ３０を送波器として利用する際には、外部接続端子２５に駆動信号を印加することで、圧電体２２がＸ−Ｙ面で広がり振動する。すると、上部カバー２１の底面にＺ軸に沿ったベンディング振動が励起して超音波を送波する。受波器として利用する際には、上部カバー２１の底面が超音波を受波して振動することで、圧電体２２が広がり振動して外部接続端子２５に受波信号が生じる。

上部カバー２１はＺ軸正方向の端部が閉塞する有底筒状である。ウェイト２４は中心軸がＺ軸に沿う筒状であり、Ｚ軸正方向の端部が上部カバー２１の筒内に挿入および嵌合される。このウェイト２４は、固定部材２３を保持するための保持部２４Ａと、ワッシャ２６を配置するための凹部２４Ｂとを備える。保持部２４Ａは、Ｘ−Ｙ面でケース中心軸方向に突出する。これらの上部カバー２１およびウェイト２４は組み合わされて有底筒状のケースを構成する。なお、上部カバー２１はケースの底面部に相当する。ワッシャ２６は開口を備える平板であり、ウェイト２４の凹部２４Ｂに挿入される。

上部カバー２１は例えばアルミニウムなどの金属材料が使用され、ウェイト２４は例えば亜鉛や鉄、ステンレスなど、上部カバー２１に用いられた材料よりも比重の高い金属材料が使用されることが好ましい。上部カバー２１の作製には、予め高分子ポリエステル塗装された板材の絞り加工や鍛造といった方法を用いることで塗装品質向上やコスト削減が可能となる。また上部カバー２１とウェイト２４とは溶接、熱圧着、かしめ、接着、嵌合などの方法で接続されるが、例えば接着嵌合の場合にはウェイト２４の表面はメッキやサンドブラスト処理、プライマーコーティングを行うことで耐食性や接着性向上を図ってもよい。また図示しないが、ウェイトのＺ軸正方向のヘッド部分にＲやテーパを設けることで嵌合のしやすさを改善してもよい。なお、ウェイト２４の表面に施されるメッキの種類には銅下地ニッケル、または上部カバー２１との間で異種金属接触腐食が起こりにくい材料、例えばクロムやスズ系が適している。ウェイト２４のＺ軸負方向側には組み立て時の搬送用チャッキングや実装後の抜け防止のためにフランジ部を設けても良い。その場合フランジ部は、ウェイト２４の開口と同心円状の円形状でも良いし、多角形状としても良い。また、ウェイト２４はＺ軸方向もしくはＸ−Ｙ軸方向に２ピース構造等、複数ピースに分割してもよい。ウェイト２４はバネ状金属端子２７Ｂを介してグランド電極に接続されるが、その他の接続方法として溶接、熱圧着、かしめ、接着等、種々の方法を用いてもよい。

充填剤２９は、ウェイト２４の筒内部における固定部材２３及び吸音部材２８ＡよりもＺ軸負方向の空間に充填される。

圧電体２２はＺ軸正方向に沿った分極軸を有し、上部カバー２１の内底面に接着剤で接合される。圧電体２２の駆動電極（不図示）は、バネ状金属端子２７Ａ，２７Ｂを介して外部接続端子２５に接続される。

図２（Ｂ）に詳細構成を示す固定部材２３は、上部ベース２３Ａ、下部ベース２３Ｂ、端子保持部２３Ｃ、係止爪３２Ａ，３２Ｂ、および受け部３３Ａ，３３Ｂを備える。下部ベース２３Ｂは一部に欠けのある略円板状である。上部ベース２３Ａは下部ベース２３ＢよりもＸ−Ｙ面での外形が小さな略角板状であり、下部ベース２３ＢのＺ軸正方向に設けられる。端子保持部２３Ｃは下部ベース２３Ｂおよび上部ベース２３ＡよりもＸ−Ｙ面での外形が小さい角柱状であり、下部ベース２３ＢのＺ軸負方向に設けられる。これら上部ベース２３Ａ、下部ベース２３Ｂ、および端子保持部２３ＣのＸ−Ｙ面での中心は略一致する。

係止爪３２Ａ，３２Ｂは下部ベース２３ＢにおけるＺ軸正方向の主面の上部ベース２３Ａとの接続部付近から、先端が上部ベース２３ＡよりもＺ軸正方向の位置へ突出するように設け、Ｚ軸正方向の先端に返し部を備える。受け部３３Ａ，３３Ｂは、Ｙ軸正方向に延びる三角柱状であり、上部ベース２３ＡのＺ軸正方向の主面に設ける。

この固定部材２３はウェイト２４の筒内に収容され、下部ベース２３ＢのＺ軸正方向の主面が保持部２４ＡのＺ軸負方向の主面に接触して、ウェイト２４に対して位置決めされる。係止爪３２Ａ，３２Ｂは、保持部２４ＡよりもＺ軸正方向の位置へ挿入され、返し部が保持部２４ＡのＺ軸正方向の主面に接触する。これにより、下部ベース２３Ｂと係止爪３２Ａ，３２Ｂとが保持部２４Ａを狭持する。端子保持部２３Ｃは、ワッシャ２６の開口内を通過してＺ軸負方向に突出する。

外部接続端子２５はＺ軸正方向の端部が固定部材２３の端子保持部２３Ｃに挿入および固定され、Ｚ軸負方向の端部が固定部材２３から突出する。吸音部材２８ＡはＺ軸正方向の主面が受け部３３Ａに接触しＺ軸負方向の主面が固定部材２３の下部ベース２３Ｂに接触して支持される。吸音部材２８ＢはＺ軸正方向の主面が圧電体２２に接触することがないように離間して設けられ、Ｚ軸負方向の主面が固定部材２３の上部ベース２３Ａに接着される。

吸音部材２８Ａ，２８Ｂは、ケースの内側空間に設ける事により音波の減衰を進展させる。本願発明における吸音部材とは、音波の吸収率＞音波の反射率の関係を満たす構成である。吸音材としては、例えばフェルト、スポンジ等を用いることができる。ただし、バネ状金属端子２７Ａや圧電体２２に吸音部材２８Ａ，２８Ｂが接触すると、振動が吸音部材２８Ａ，２８Ｂを介して固定部材２３に伝搬して、残響特性が著しく悪化する場合もある。このため、固定部材２３のバネ状金属端子２７Ａの下方に相当する位置に部分的な切り欠き（開口）を設けるとともに吸音部材２８Ａ，２８Ｂを分割し、吸音部材２８Ａを開口内に配置している。

以上の構成では、固定部材２３は圧電体２２に対向する反射部として機能する。なお、本発明における反射部の定義は、音波の吸収率＜音波の反射率の関係を満たす構成であり、例えばエポキシ樹脂等の樹脂、セラミック、金属等が用いられる。この反射部として機能する固定部材２３により、固定部材２３と圧電体２２との間隔Ｌに応じて、超音波トランスデューサ３０の残響特性が変化することになる。したがって間隔Ｌを、超音波の１／４波長の奇数倍となる条件、または、超音波の１／４波長以下となる条件を満足するように設定することにより、超音波トランスデューサ３０の残響特性を改善することができる。

図３は、前記間隔Ｌと超音波トランスデューサ３０の残響レベルとの関係を説明する図である。
ここでは、ケース材：アルミニウム、ケース外径： Φ１４ｍｍ、圧電体により実質的に振動するケース内径：Φ８ｍｍ、反射部：ＰＢＴ、反射部面積： ８ｍｍ^２、圧電体径：Φ６ｍｍ、駆動条件：４８ｋＨｚ、３．７５Ｖｐ−ｐとしている。

この超音波トランスデューサ３０の残響レベルは、固定部材２３と圧電体２２との間隔Ｌが超音波の半波長分変化する周期で振動し、間隔Ｌが超音波の１／４波長の奇数倍となる条件で極小化する。また、間隔Ｌが超音波の１／４波長以下となる条件で、間隔Ｌが超音波の１／４波長の奇数倍となる条件の場合と同程度の残響レベルになる。

このことから、超音波の１／４波長の奇数倍となる条件、または、超音波の１／４波長以下となる条件を満足するように、超音波トランスデューサ３０における固定部材２３と圧電体２２との間隔Ｌを設定することにより、超音波トランスデューサ３０の残響特性を改善できることがわかる。

なお、圧電体２２と固定部材２３とが接触すると残響特性は低下する恐れがあるので、固定部材２３と圧電体２２との間隔Ｌは圧電体２２の最大変位距離以上、例えば５０ｕｍ以上、確保することで、圧電体２２と固定部材２３との接触を防ぐことができ好適である。

次に、本願発明の第２の実施形態に係る超音波トランスデューサ１０について説明する。

図４は超音波トランスデューサ１０の断面図である。

超音波トランスデューサ１０は、ケース１、圧電体２、固定部材３、充填剤４、外部接続端子５、導電性接着剤６、および、内部配線７を備える。

この超音波トランスデューサ１０を送波器として利用する際には、外部接続端子５に駆動信号を印加することで、圧電体２が水平面で広がり振動し、ケース１の底面に鉛直方向に沿ったベンディング振動が励起して超音波を送波する。受波器として利用する際には、ケース１の底面が超音波を受波して鉛直方向に沿って振動することで、圧電体２が広がり振動して外部接続端子５に受波信号が生じる。

ケース１は、鉛直方向を主軸方向とする有底筒状であり、鉛直上方向の端部が閉塞する。ケース１の筒内部には、固定部材３を保持するための保持部１Ａを備える。保持部１Ａは、Ｘ−Ｙ面でケース中心軸方向に突出する。圧電体２は鉛直方向に沿った分極軸を有し、ケース１の内底面に接着剤（不図示）で接着されている。固定部材３はケース１の筒内部に収容されていて、保持部１Ａの鉛直下方向の主面に接触して位置決めされる。充填剤４は、ケース１の筒内部における固定部材３よりも鉛直下方向の空間に充填される。外部接続端子５は鉛直上方向の端部が固定部材３に挿入および固定され、鉛直下方向の端部がケース１の筒内部から突出する。内部配線７は外部接続端子５と圧電体２とを導通させる。導電性接着剤６は、内部配線７と圧電体２とを接続する。

以上の構成でも、固定部材３は圧電体２に対向する反射部として機能し、この固定部材３により、固定部材３と圧電体２との間隔Ｌ１に応じて、超音波トランスデューサ１０の残響特性が変化する。したがって、間隔Ｌ１を、超音波の１／４波長の奇数倍となる条件、または、超音波の１／４波長以下となる条件を満足するように設定することにより、超音波トランスデューサ１０の残響特性を改善することができる。また、間隔Ｌ１は圧電体２の最大変位距離以上確保することで、圧電体２と固定部材３との接触を防ぐことができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る超音波トランスデューサ２０を説明する。

図５は、超音波トランスデューサ２０における部分断面図である。

超音波トランスデューサ２０は、上部カバー１１、圧電体１２、固定部材１３、ウェイト１４、外部接続端子１５、ワッシャ１６、バネ状金属端子１７、吸音部材１８、および充填剤１９を備える。

この超音波トランスデューサ２０を送波器として利用する際には、外部接続端子１５に駆動信号を印加することで、圧電体１２が水平面で広がり振動する。すると、上部カバー１１の底面に鉛直上方向に沿ったベンディング振動が励起して超音波を送波する。受波器として利用する際には、上部カバー１１の底面が超音波を受波して振動することで、圧電体１２が広がり振動して外部接続端子１５に受波信号が生じる。

上部カバー１１は鉛直上方向の端部が閉塞する有底筒状である。ウェイト１４は中心軸が鉛直軸に沿う筒状であって鉛直下方向の開口部の円周に凹部が設けられていて、鉛直上方向の端部が上部カバー１１の筒内に挿入および嵌合される。これらの上部カバー１１およびウェイト１４は組み合わされて有底筒状のケースを構成する。なお、上部カバー１１はケースの底面部に相当する。

圧電体１２は鉛直方向に沿った分極軸を有し、上部カバー１１の内底面に接着剤で接合される。圧電体１２の駆動電極（不図示）は、バネ状金属端子１７を介して外部接続端子１５に電気的に接続される。固定部材１３はウェイト１４の筒内に収容され、バネ状金属端子１７および外部接続端子１５を固定する。外部接続端子１５は鉛直上方向の端部が固定部材１３に挿入され、鉛直下方向の端部が固定部材１３から突出する。吸音部材１８は固定部材１３の鉛直上方向に配置される。ワッシャ１６は外部接続端子１５が挿入される開口を備える平板であり、ウェイト１４の鉛直下方向側の凹部に挿入される。充填剤１９はウェイト１４の筒内部の固定部材１３よりも鉛直下方向側の空間に充填される。

この構成では、固定部材１３とウェイト１４の一部が圧電体１２に対向する反射部として機能する。そのため、固定部材１３と圧電体１２との間隔Ｌ２およびウェイト１４と圧電体１２との間隔Ｌ３とを適切に設定することにより、超音波トランスデューサ２０の残響特性を改善できる。例えば間隔Ｌ２を超音波の１／４波長の奇数倍となる条件を満足するように設定し、間隔Ｌ３を超音波の１／４波長以下となる条件を満足するように設定すると好適である。また、間隔Ｌ２およびＬ３は圧電体１２の最大変位距離以上確保することで、圧電体１２と固定部材１３および吸音部材１８との接触を防ぐことができる。

このように、間隔Ｌ２およびＬ３を、音波の１／４波長の略奇数倍、または、音波の１／４波長以下とすることにより残響特性を改善できる。さらには、上部カバー１１と固定部材１３との間に吸音部材１８を設けることで、残響特性をより改善することができる。

１０，２０，３０…超音波トランスデューサ
１…ケース
２，１２，２２…圧電体
３，１３，２３…固定部材
４，１９，２９…充填剤
５，１５，２５…外部接続端子
６…導電性接着剤
７…内部配線
１１，２１…上部カバー
１４，２４…ウェイト
１６，２６…ワッシャ
１７，２７Ａ，２７Ｂ…バネ状金属端子
１８，２８Ａ，２８Ｂ…吸音部材

Claims (3)

1. 主軸方向の端部が閉塞した有底筒状のケースと、
   前記ケースの内底面部に形成される圧電体と、
   前記ケースの内底面部から離間して配置され、前記圧電体に対向する反射部と、
   を備え、
   前記圧電体と前記反射部との間隔が、前記圧電体の最大変位距離よりも大きく、且つ、音波の１／４波長の略奇数倍または１／４波長以下である超音波トランスデューサ。
2. 前記圧電体と前記反射部との間に吸音部材をさらに備える、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
3. 前記反射部は、ケース内部とケース外部とに連通し、吸音部材で閉塞される開口部を備える、請求項１または２に記載の超音波トランスデューサ。

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